PIKACHU実験で開発した高純度GAGG結晶。用いて160Gdの二重ベータ崩壊の研究を行っています。このページでは、二重ベータ崩壊とは何か、PIKACHU実験とはどんな実験なのか、を簡単に説明していきます。二重ベータ崩壊とは二重ベータ崩壊とは一つの原子核の中で同時に2回のベータ崩壊が起こる現象で、ニュートリノを放出する2νββと放出しない0νββの2種類が考えられます。2e-前者はニュートリノを放出する通常のベータ崩壊が同時に2回起こる現象で、素粒子標準理論の2次の摂動過程として起こり得ます。後者は同様に同じ原子核で2つのベータ崩壊が起こるのですが、放出された反ニュートリノがマヨラナ質量項を介してニュートリノに転換し、別の中性子に吸われ電子のみを放出する過程です。この過程は反応の前後でレプトン数が保存しておらず、標準理論では許されません。観測は、素粒子の一種であるニュートリノの本質に迫り、物質の起源解明に関わる重要な研究の一つです。判明し、レプトン数の破れが実証されます。(これをレプトジェネシスと言います)。この崩壊率がニュートリノ質量の二乗に比例するため、素粒子標準模型で唯一不明なニュートリノの質量を0νββ半減期から決定できます。観測可能なのですが、核種による遷移確率(核行列要素)の理論的不定性が大きいため、様々な原子核で実験することが重要です。本研究では、160Gdの二重ベータ崩壊の研究を世界最高感度で行うことを目指しています。keVと低いため探索があまり進んでいない核です。同位体の自然存在比が21.8%と全二重ベータ崩壊核中で二番目に高く、小規模に行う実験に適した原子核と言えます。対する半減期予測モデルは以下の2種類が存在し、予測は一桁近い違いが存在しています。近似手法の違い等によっており、他の多くの原子核でも同様のモデル依存性が存在します。我々はPIKACHU実験により、160Gdの2νββを理論予想の範囲まで探索を行い世界初の発見を目指しています。現時点で160Gdを用いた世界最高感度探索は、ウクライナでGSOという結晶を用いて行われた以下の先行研究です。375-391結晶に含まれる約100gの160Gdを用いて、0νββ、2νββの半減期に対してそれぞれ2.3×1021年、1.9×1019年の下限値を与えています。多く入り込み感度を制限していました。我々が用いるGAGG結晶では高いPSD性能が確認されており、探索領域のα線BGはほぼ全て除去可能であると考えられます。結晶サイズの大型化に成功しており、160Gdの量で一桁大きな規模の実験を検討しています。BG低減と大規模化の効果を合わせ、先行研究より一桁以上の感度向上を見込んでいます。短い半減期を予測するモデルでは、160Gdの2νββの半減期は~1020年台であり、先行研究より一桁の感度向上で発見の可能性があります。先行研究のウクライナの実験と、我々の比較を表1にまとめます。先行研究とPIKACHU実験の比較。2023年に神岡の地下実験室で行った実験の様子。実験のセットアップ概念図。系列の放射性不純物を極力低減した、高純度なGAGG結晶の開発です。2021-2023年には結晶原料の純化などを進めて、約一桁の不純物低減に成功しました。図3は測定されたα線のスペクトルですが、青の旧結晶に比べ、赤の新結晶ではα線のレートが一桁ほど低減したことが分かります。この高純度なGAGG結晶を使って、2024年にPIKACHU実験を開始したいと考えています。α線のスペクトル比較。青が純化前の旧結晶、赤が新しく開発した高純度結晶。PIKACHU実験の現状は論文[1]やスライド[1]にまとまっていますので、ぜひご一読ください。(3)開発したシンチレータ検出器の詳細な性能評価[論文-3,4,5]、等の研究を行っています。興味のある方は是非実験室の見学にいらしてください。他大学の学生さんも歓迎です。